危險廢物焚燒系統(tǒng)CO排放控制與技術(shù)改造實(shí)踐

毛 威，鄭先強(qiáng)，王 凡，范麗君

（天津天一愛拓科技有限公司，天津 300383）

1 工程背景概述

該危險廢物處理企業(yè)建于2017 年，有3 條規(guī)模為55 t/d 的焚燒線，年設(shè)計處理量5.0×104t，但由于該地區(qū)危險廢物處理市場競爭較大、危險廢物收取量小，單條線實(shí)際處理量約為40 t/d，年實(shí)際處理量略大于2.0×104t。焚燒線采用回轉(zhuǎn)窯+二燃室+三燃室+沉降塔+SNCR+余熱鍋爐+急冷塔+石灰活性炭噴吹+兩級布袋除塵+兩級堿洗的工藝?；剞D(zhuǎn)窯尺寸為φ3.6 m×14.0 m，二燃室尺寸為φ2.6 m×5.0 m，中部設(shè)有環(huán)形供風(fēng)帶，二燃室柴油燃燒器位于二燃室頂部，二燃室后連接1 個φ3.2 m×11.0 m 的三燃室，三燃室后連接1 個內(nèi)徑較小的沉降塔用于顆粒物沉降，3 條焚燒線共用1 個排放煙囪。

目前，該危險廢物焚燒系統(tǒng)出現(xiàn)如下問題：①CO 排放長期超標(biāo)，小時平均濃度達(dá)到200 mg/m3以上，且波動較大；②窯頭溫度低，物料著火慢；③灰渣熱灼減率較高，長期大于5%，CO 排放濃度和灰渣熱灼減率均不滿足GB 18484—2020 危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)［3］的要求。CO 排放濃度和灰渣熱灼減率代表廢物焚燒是否充分和徹底，因此，該焚燒系統(tǒng)在焚燒過程中存在較為嚴(yán)重的不充分燃燒問題。

2 工藝流程與設(shè)計參數(shù)

2.1 CO 產(chǎn)生途徑

該焚燒系統(tǒng)采用回轉(zhuǎn)窯+二燃室兩段焚燒的方式，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)提供一次空氣，滿足廢物干燥、升溫、熱解、燃燒的需要，熱解過程中將產(chǎn)生CO、烴類化合物氣體和細(xì)微炭顆粒等產(chǎn)物［4］。二燃室內(nèi)提供充足的二次空氣，使未完全燃燒的CO、烴類氣體、有毒有害物質(zhì)徹底氧化分解。

當(dāng)焚燒系統(tǒng)助燃空氣不足時，危險廢物燃燒不完全，反應(yīng)方程式為：

因此，CO 主要有以下幾種產(chǎn)生途徑：①廢物中的有機(jī)物熱解產(chǎn)生CO；②有機(jī)物熱解產(chǎn)生的炭顆粒與氧氣發(fā)生不完全氧化反應(yīng)產(chǎn)生CO；③在高于1 200 ℃高溫時煙氣中的CO2與碳反應(yīng)產(chǎn)生CO。

2.2 CO 超標(biāo)原因分析

影響CO 排放超標(biāo)的因素有爐內(nèi)溫度、升溫速率、氧氣含量、配伍等［6］，同時反應(yīng)時間、煙氣擾動也影響氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

科學(xué)活動本是一個追求真理的活動，科學(xué)家應(yīng)當(dāng)報以一顆追求真理的決心，但是由于生活節(jié)奏加快，科學(xué)家也不是一個生活在真空，科學(xué)家不得不受到社會的影響，社會對于科學(xué)家貢獻(xiàn)的評定越來越單一化，越來越體制化，用論文的發(fā)表數(shù)量或者實(shí)驗(yàn)的研究的成果來衡量科學(xué)家的貢獻(xiàn)，高校中教師職稱的評定常常與兩者掛鉤，從而導(dǎo)致科學(xué)工作者為了職業(yè)生涯的考慮而不得不抄襲論文，剽竊他人研究成果甚至是制造虛假研究數(shù)據(jù)，已達(dá)到晉升的目的，高校學(xué)生也為了盡快得到學(xué)位證書，盡快進(jìn)入社會工作，也對他人論文研究成果進(jìn)行盜用，以致今早順利完成學(xué)業(yè)，這些科學(xué)越軌行為都與當(dāng)今社會快速的生活節(jié)奏和浮躁的社會氛圍難以分割。

焚燒系統(tǒng)設(shè)計一般采取國際上通用的“3T+E”原則，即溫度（Temperature）、停留時間（Time）、湍流度（Turbulence）和過量空氣（Excess Air Coefficient），“3T+E”原則能確保危險廢物的有害成分充分分解，全面控制煙氣排放造成的二次污染?！?T+E”原則控制的指標(biāo)如下：①二燃室煙氣溫度控制在1 100 ℃以上；②二燃室煙氣停留時間＞2 s；③二燃室煙氣的充分?jǐn)_動；④二燃室出口煙氣中氧含量保持在6%～10%。

首先，在系統(tǒng)正常運(yùn)行階段，二燃室溫度基本能夠保持在1 100 ℃以上，偶爾需要啟動二燃室的輔助柴油燃燒器來保持爐溫，因此，該焚燒系統(tǒng)能夠滿足溫度足夠高的要求。其次，在系統(tǒng)正常運(yùn)行階段，余熱鍋爐出口煙道上的氧化鋯分析儀顯示的氧含量在6%以上，在線監(jiān)測系統(tǒng)測得氧含量在10% 以上，因此，該焚燒系統(tǒng)能夠滿足提供過量空氣的要求。

其次，根據(jù)該企業(yè)提供的危險廢物焚燒配伍單，最新配伍原料為菌絲、廢活性炭、廢油、煤焦油、精餾殘渣、污泥等，配伍后的元素成分如表1 所示。

表1 危險廢物配伍后的元素分析Table 1 Elemental analysis of hazardous waste after compatibility

根據(jù)元素分析，計算每條焚燒線的煙氣量，進(jìn)而算出焚燒煙氣在1 100 ℃以上的停留時間。理論空氣量A0計算公式［7］如下：

計算得出實(shí)際煙氣量G=7.72 m3/kg。焚燒系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行處理量為40 t/d，即1 667 kg/h，得出煙氣量為12 869 m3/h，折算成1 100 ℃時的工況煙氣量為64 722 m3/h。

二燃室和三燃室的總有效容積約50 m3，計算得出煙氣在二燃室和三燃室總停留時間為2.78 s，滿足煙氣在1 100 ℃以上停留時間大于2 s 的要求［3］。

最后，分析煙氣在二燃室的湍流度。從供風(fēng)方式上看，二次風(fēng)采用了環(huán)形風(fēng)帶的方式，從二燃室內(nèi)部觀察發(fā)現(xiàn)，該風(fēng)帶的風(fēng)孔呈3 排布置，每個風(fēng)孔直徑約20 mm。但由于二燃室內(nèi)壁存在掛壁的低熔點(diǎn)熔融物，有相當(dāng)一部分風(fēng)孔已被熔融物堵塞或遮擋，二次風(fēng)供給不暢，不利于二燃室的煙氣擾動，從而影響二次風(fēng)與煙氣的混合、接觸和反應(yīng)。

從“3T+E”原則上分析，可以看出只有二燃室的湍流度不能滿足設(shè)計原則的要求。

該焚燒系統(tǒng)除CO 排放超標(biāo)問題外，還存在窯頭溫度低、灰渣熱灼減率高的問題，這些問題之間有一定的關(guān)聯(lián)，應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行整體分析。該焚燒系統(tǒng)窯頭溫度僅有650 ℃左右，窯頭溫度主要受配伍的影響，盡管該焚燒廠在配伍后的熱值達(dá)到13 794～15 048 kJ/kg，但廢物中的揮發(fā)分含量低、固定碳含量高，揮發(fā)性氣體焚燒不足以維持窯頭溫度［8］，導(dǎo)致著火困難和延遲（廢物在窯頭端相當(dāng)長一段的空間內(nèi)不能著火，降低了窯內(nèi)焚燒空間的利用率）。物料在窯內(nèi)熱解、燃燒的位置向窯尾端靠近，大量的熱解氣體（包括CO）進(jìn)入二燃室，加大了二燃室的熱負(fù)荷，增加了CO 排放超標(biāo)的可能性。同時，物料著火位置向窯尾端移動，也使得物料在窯內(nèi)的實(shí)際焚燒時間縮短，從而導(dǎo)致灰渣熱灼減率偏高。

此外，原二燃室燃燒器為槍式機(jī)，使用時需要人工將燃燒器插入爐膛，操作復(fù)雜，且存在一定危險性。輔助燃料為柴油，在起爐階段的較低溫度下，柴油也無法充分燃燒，這會使得在投料前的起爐階段CO 濃度超標(biāo)。

2.3 技術(shù)改造方案設(shè)計

根據(jù)上述CO 排放超標(biāo)的原因分析，對該焚燒系統(tǒng)進(jìn)行了改造，如圖1 所示。

圖1 技術(shù)改造示意Figure 1 Schematic of technical transformation

改造措施如下：①增加1 套一次風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)，采用翅片管換熱器，利用余熱鍋爐產(chǎn)生的1.6 MPa的蒸汽作為熱源，將一次空氣從常溫提高至150 ℃以上；②將原二次風(fēng)環(huán)形風(fēng)帶封堵，將二次風(fēng)管切向安裝，分兩股進(jìn)入二燃室，使二次風(fēng)切向進(jìn)入二燃室，安裝角度如圖2 所示；③增加1 套天然氣燃燒器，采用分體式燃燒器，安裝于二燃室進(jìn)口位置，并處于二次風(fēng)進(jìn)口上方。燃燒器上方安裝兩臺熱電偶，作為二燃室1 100 ℃以上溫度區(qū)間的起始點(diǎn)。

圖2 二次風(fēng)管、燃燒器安裝平面示意Figure 2 Installation plan schematic of secondary air duct and burner

3 測試指標(biāo)與分析方法

3.1 窯頭溫度指標(biāo)

在2#焚燒線運(yùn)行過程中，每間隔5 min 記錄1次窯頭溫度，對每小時記錄的12 組數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，得到每小時的窯頭平均溫度，數(shù)據(jù)從中控室運(yùn)行畫面中讀取，技術(shù)改造前窯頭溫度如表2所示。

表2 技術(shù)改造前2#焚燒線窯頭溫度Table 2 Kiln head temperature of 2#incineration line before technical transformation

技改前某段時間2#焚燒線窯頭平均溫度為642～663 ℃，遠(yuǎn)低于常規(guī)的危險廢物回轉(zhuǎn)窯焚燒爐窯頭溫度850 ℃的要求。

3.2 CO 和NOx排放濃度指標(biāo)

在2#焚燒線和3#焚燒線同時運(yùn)行時，從煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)中直接讀取CO 和NOx小時排放濃度均值，技術(shù)改造前的CO 和NOx排放濃度如表3 所示。

表3 2021 年7 月煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的CO 和NOx排放數(shù)據(jù)Table 3 CO and NOx emission data collected by flue gas online monitoring system in July 2021

技改前的2021 年7 月某天2#焚燒線和3#焚燒線同時運(yùn)行時，所觀察的4 個小時CO 排放濃度有兩個小時處于超標(biāo)狀態(tài)，高于GB 18484—2020規(guī)定的排放限值，平均濃度為175.8 mg/m3。NOx排放濃度較低，平均排放濃度為62.7 mg/m3，并且與CO 排放濃度呈反向的變化趨勢。

3.3 分析方法

1）窯頭溫度分析測定方法：熱電偶接觸式測溫法。

2）CO 分析測定方法：HJ/T 44—1999 固定污染源排氣中一氧化碳的測定非色散紅外吸收法［9］。

3）NOx測定方法：傅里葉紅外吸收法。

4 運(yùn)行效果分析

經(jīng)過技術(shù)改造后，在余熱鍋爐蒸汽壓力達(dá)到1.6 MPa 時，窯頭一次空氣溫度由常溫提高到約160 ℃，一次空氣量按8 500 m3/h 計，進(jìn)入窯內(nèi)的熱量提高了約1.69×106kJ/h。由表4 可看出，技改后某段時間窯頭平均溫度達(dá)到787 ℃，與技改前相比窯頭平均溫度提高了131 ℃。從窯頭罩上的視鏡可觀察出窯頭著火狀況較技改前有了明顯改善，物料著火段向窯頭靠近了0.5～1.0 m，回轉(zhuǎn)窯的燃燒空間利用率和物料在窯內(nèi)的焚燒時間均提高了3.6%～7.1%，在一定程度上減輕了二燃室的熱負(fù)荷。

表4 技術(shù)改造前后2#焚燒線窯頭溫度Table 4 Kiln head temperature of 2#incineration line after technical transformation

二次風(fēng)采用對稱切向進(jìn)風(fēng)方式，使二次風(fēng)推動煙氣旋轉(zhuǎn)，煙氣與二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)向上混合，在此過程中二次風(fēng)充分?jǐn)_動煙氣，提高煙氣在二燃室的湍流度，增加二次風(fēng)與煙氣的混合程度，提高了CO 等熱解氣體的燃燼率。

新增天然氣燃燒器安裝位置靠近二燃室進(jìn)口位置，位于二次風(fēng)進(jìn)風(fēng)口的上方，熱功率為8.36×106kJ/h，在新增燃燒器上方設(shè)置新的熱電偶，并以該熱電偶的位置作為1 100 ℃溫度區(qū)間起點(diǎn)，使得系統(tǒng)燃燒空間的有效容積增加了約10 m3，增加了煙氣在1 100 ℃以上溫度區(qū)間的停留時間，充分利用了原有的二燃室容積。同時，將該燃燒器與二燃室溫度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，當(dāng)二燃室溫度低于1 100 ℃時自動開啟，當(dāng)二燃室溫度高于1 150 ℃時自動關(guān)閉，使二燃室溫度始終處于1 100 ℃以上，既減少了人工操作的復(fù)雜性和危險性，又提高了二燃室溫度控制的效率。

在技改完成后的運(yùn)行中，CO 排放濃度顯著降低，能夠達(dá)到GB 18484—2020 中表3 的要求。表5 是2022 年1 月某時段2#焚燒線和3#焚燒線同時運(yùn)行時煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的CO 和NOx的排放數(shù)據(jù)。從表5 中可看出，CO 排放濃度為0.607～22.444 mg/m3，能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，平均排放濃度為5.5 mg/m3，較技改前降低了170.3 mg/m3；NOx濃度為125.675～209.990 mg/m3，平均排放濃度為179.9 mg/m3，較技改前增加了117.2 mg/m3。

表5 2022 年1 月煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的CO 和NOx排放數(shù)據(jù)Table 5 CO and NOx emission data collected by flue gas online monitoring system in January 2022

5 成本經(jīng)濟(jì)分析

該企業(yè)于2022 年1 月1 日起正式執(zhí)行GB 18484—2020 表3 規(guī)定的限值要求，同時CO 排放指標(biāo)也將上傳至環(huán)境保護(hù)監(jiān)管部門，屆時CO 排放若不能達(dá)標(biāo)，則該企業(yè)面臨停產(chǎn)的局面。本次兩條焚燒線技術(shù)改造的總費(fèi)用約200 萬元，經(jīng)過技術(shù)改造后，焚燒煙氣污染物排放達(dá)標(biāo)，企業(yè)可連續(xù)正常運(yùn)營。該企業(yè)焚燒處置的危險廢物平均收費(fèi)約在2 400 元/t，焚燒線運(yùn)行成本約為1 400 元/t，每噸危險廢物的利潤約1 000 元/t，兩條線總處理量約80 t/d，焚燒線連續(xù)運(yùn)行25 d 即可收回改造的投資費(fèi)用。

6 存在問題與展望

本次技術(shù)改造是在危險廢物原料配伍無法達(dá)到設(shè)計要求的情況下進(jìn)行的，若危險廢物物料配伍能夠達(dá)到入爐的標(biāo)準(zhǔn)，則焚燒系統(tǒng)的二次污染物排放能夠得到較好的控制。危險廢物焚燒企業(yè)在運(yùn)營中的危險廢物收料過程要充分考慮配伍的要求，盡量滿足焚燒系統(tǒng)設(shè)計的進(jìn)料要求。

危險廢物焚燒的新建項(xiàng)目在進(jìn)料預(yù)處理系統(tǒng)上都設(shè)計了行車抓斗進(jìn)料、提升機(jī)進(jìn)料、廢液泵送等多種進(jìn)料方式，滿足不同種類危險廢物的進(jìn)料要求［10］。本次技改的焚燒線在預(yù)處理系統(tǒng)僅有1 臺針對大塊物料的破碎機(jī)，所有固態(tài)、半固態(tài)和液態(tài)危險廢物全部在料坑中混合配伍，再通過行車抓斗、板喂機(jī)和進(jìn)料斗進(jìn)入窯內(nèi)，進(jìn)料方式單一，進(jìn)料間隔為5～10 min，焚燒爐內(nèi)的工況也隨進(jìn)料產(chǎn)生周期性波動，在二燃室溫度升至波峰、氧含量降至波谷時，極易造成CO 濃度瞬時超標(biāo)。因此，對于新建的危險廢物焚燒線，在設(shè)計時要充分考慮物料焚燒的復(fù)雜性，設(shè)計多種進(jìn)料方式，盡量維持窯內(nèi)的工況穩(wěn)定。

本次技術(shù)改造在解決CO 排放超標(biāo)的同時，也發(fā)現(xiàn)了其他問題：技改前后的脫硝措施沒有變化，即采用SNCR 系統(tǒng)向余熱鍋爐中噴射尿素溶液。在技改前煙氣中CO 濃度較高時，煙氣中NOx濃度較低（觀察數(shù)據(jù)的平均值為62.7 mg/m3）；而技改后CO 濃度達(dá)標(biāo)時，煙氣中的NOx濃度急劇增加（觀察數(shù)據(jù)的平均值為179.9 mg/m3）。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，CO 作為一種還原性氣體，能夠?qū)煔庵械腘Ox還原為氮?dú)?，其原理和效果與SNCR 系統(tǒng)的尿素類似，因而CO 濃度和NOx濃度呈現(xiàn)出反向變化的趨勢。技改后，CO 濃度較低，為保證NOx排放滿足GB 18484—2020 表3 中的限值要求，適當(dāng)增加了SNCR 系統(tǒng)尿素的噴射量，降低了NOx的排放濃度。

7 結(jié)論

危險廢物焚燒過程中CO 濃度超標(biāo)的影響因素眾多，應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)整體出發(fā)對其進(jìn)行分析，找出關(guān)鍵原因，針對性地實(shí)施有效的解決措施。在無法改善原料配伍的情況下，利用余熱來提高一次風(fēng)風(fēng)溫能夠增加單位時間內(nèi)入爐的熱量，從而提高窯頭溫度，使廢物在爐內(nèi)著火段提前，延長物料在爐內(nèi)的焚燒時間；二次風(fēng)的供風(fēng)方式對焚燒效率有較大影響，雙切向進(jìn)風(fēng)的方式能夠增加二次風(fēng)對二燃室內(nèi)煙氣的擾動，使二次風(fēng)與煙氣充分接觸和反應(yīng)，提高可燃?xì)怏w的燃燼率；二次風(fēng)的進(jìn)風(fēng)位置和二燃室輔助燃燒器的安裝位置應(yīng)當(dāng)靠近二燃室進(jìn)口位置，這樣能夠充分利用二燃室的有效容積、增加煙氣在1 100 ℃以上溫度區(qū)間的停留時間、保證可燃?xì)怏w充分燃燒。通過上述技術(shù)改造措施，從提高廢物在窯內(nèi)的焚燒溫度、增加二燃室廢氣的湍流度、延長廢氣在高溫段的停留時間3 個方面提高了焚燒系統(tǒng)對廢物的焚燒效率，實(shí)現(xiàn)CO 排放濃度達(dá)標(biāo)，既降低了危險廢物焚燒的二次污染，又保證了處置單位的正常運(yùn)營。